有效的可穿戴设备电源管理

Vinay Prabhakar Minj著

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智能可穿戴设备的电池在几个小时内就会耗尽,这是任何人都不希望看到的。但是,通过识别相关问题和仔细设计电源电路,电池问题是可以避免的。

我们生活在一个电子设备已经成为我们日常生活不可分割的一部分的时代,电子设备使我们学习、工作、锻炼、旅行、交流和监控变得非常方便。尤其是可穿戴设备,已经变得如此轻便和实用,以至于许多人喜欢每天随身携带它们。

在医疗保健应用中,可穿戴设备可用于监测心率、血压、SpO2水平、运动期间的卡路里燃烧、睡眠跟踪等。这些设备监测病人的健康状况,允许个人诊断和健康跟踪。其中一些还能在病人的医生和远程监控设备之间建立无线接口。这样就可以让医生知道病人的健康状况,而不需要他们去看望对方。

对于一些新生儿病例,有特殊形式的项链甚至耳塞,可以监测新生儿的体温和脉搏。这类设备需要一个电力管理系统,在充电前至少可以持续19个小时。

电池的挑战

可穿戴设备的电池管理系统(BMS)具有如此多的特性和功能,需要更多的时间来充电。尽管在过去的十年中,电池的容量有所提高,但储存的电荷在一段时间后很快就会耗尽。这降低了可穿戴设备的生命周期,因此,需要定期更换电池或更换为可充电电池,这增加了维护和成本。

如果BMS只持续4 ~ 6年,也不会有什么帮助。电池寿命是可穿戴设备的关键问题。

小尺寸是可穿戴设备的另一个关键问题。电池复杂的内部结构会大大增加设备的尺寸和成本,使人们佩戴不方便。

以下是一些实现高效电源管理的新方法:

1.蓝牙LE 5、Wi-Fi或RFID。它们消耗低功率(微瓦),并在SoC上提供有效的数据传输设施。

2.先进的CMOS技术。它使低功耗电路和系统得以发展。它允许设备以亚微瓦的功率水平运行。

3.能量收获来源。随着晶体管尺寸的缩小,需要对电源进行有效的管理。这意味着我们应该考虑从热能、振动或太阳能中产生能量。然而,能量收集本身也带来了一些设计上的挑战,因为收集的能量会有电压波动,并且取决于收集器的可用性和大小。

方块图的变化

典型的可穿戴设备框图有心率、心电图、脉搏、计步器等传感器。这些都需要通过一些adc或其他类型的模拟前端转换器与控制器进行良好的接口。正确选择控制器对节省电源很重要。

如果我们考虑一些模块,如传感器、能源和电源管理模块(用于模拟前端处理、无线收发器和处理器),能源为整个设备供电。因此,电源管理模块应该有效地将这些电源分配到系统中的不同模块。

之后,传感器模块将收集数据并将其发送到数字处理器,在那里数字化数据将被处理并保存在内存中。还可以存储数据来计算平均值。最后,无线收发模块将处理后的数据发送给另一个用户/接收器。

这些块通常需要微安(mA)的低功率电流。因此,在大多数情况下,低功率发射机以200kbps的最大数据速率输出160mW左右的功率,而实际上它消耗的功率大约是190nW。当设备占空比为0.013%时,无线发射器通常会消耗大量的电能,因此会以占空比方式工作,以尽量减少设备的总功耗。

ICU收治的病人是那些通常不能自主呼吸的危重病人。因此,为了让他们的肺通气,临床医生在病人的气管内创建一个气道来提供人工呼吸。这就是插管,一根叫做气管内管的塑料管插入口腔,这样一端到达气管(气管),另一端连接到机械呼吸机。

然而,由于肺部分泌物、粘液或血凝块,这些管道会阻塞,导致呼吸效率降低,并可能导致脑损伤甚至死亡。

由于采取适当措施的时间只有2 - 3分钟,因此必须立即清除阻塞物,使气管内管通气,否则患者将很快死亡。

插管需要专业人员,通常是麻醉师。但在大多数情况下,这些专家无法及时找到。因此,在这种情况下,ICU或其他关键医院环境中的患者可以佩戴智能设备。该设备的传感器可以作为机械呼吸机和气管导管之间的连接,实时监测和检测阻塞。

在传统的运算放大器、超声波传感器或声学传感器的帮助下设计智能设备后,主要的挑战是电池,因为气管插管可以持续4到8天。为了克服这个问题,你需要开发一个电路,使设备能够在一次充电下运行70到78小时,有一个处理器块和模拟前端块,以及1.5kb的SRAM。一些设备还包括脑电图带,心率监测器,心房制造探测器等。

减少动态功率

一体化系统中功耗部件过多。降低动态功率是降低功耗的重要途径之一。动态功率是电路接通时所消耗的功率。它包括开关电源和短路电源。

短路电源与电流有关,直接从电源电压流向地面。当NMOS和PMOS网络都暂时接通时,短路功率损失相对较小,开关功率占动态功耗的绝大部分。这里,开关电源与电压电源保持二次方式。

二次方式与电压,总电流,泄漏电流和动态功率的比较行为有关,当能量与电压有关的图形绘制时。
为了进一步降低功耗,可以将频率调整与电压调整结合起来进行。降低电压和频率称为动态电压频率缩放。根据设备的性能要求,大大降低了动态功率。

然而,增加电压频率缩放和在阈值电压下操作会增加泄漏能量(因为设备在该区域运行更长和更慢)。因此,对于高功率约束的可穿戴设备来说,最好在亚阈值区域附近操作,在该区域泄漏和动态功率都是最优的。

电压缩放

电源电压缩放是为每个块产生所需的电压水平。由于这些块由SRAM组成,在45nm CMOS技术中工作在最小电压0.9V,因此有电源管理的要求(关于块)。

而当数据通过无线收发器传输时,数字模块可以在0.4V下工作,以降低功耗。因此,在一个芯片中需要多个电压水平。因此,块需要的电压水平可能高达1V。

这种类型的电压缩放可以给块所需的功率。否则,如果一个不应该消耗太多能量的块得到了大的电压或电流,电池将不会持续很长时间。

目前有一些很好的架构,比如16核ARM微处理器,其中每个核都需要一个动态电压频率缩放(DVFS)块。可以使用将输入电压转换为所需输出电压水平的电压调节器。需要集成多个电压调节器来支持动态电压缩放。

因此,电源管理单元的区域由电压调节器控制。当所需的稳压电压水平的数目增加时,电压稳压器的数目也增加,这导致很大的区域开销。因此,需要探索以最少数量的电压调节器支持多个稳压电平的方法。

泄漏功率

漏电功率是电路在不工作时所消耗的功率。虽然有些活动可以在睡眠模式下执行,但这些仅限于微控制器。通过软编程,你可以控制传感器和发射机模块,也就是说,当它必须开机和进入深度睡眠模式时。那会节省很多电力。

当电路在工作,但其中一部分是无活动时,可以确定漏功率。这意味着当红外传感器、脉冲速率传感器和SpO2传感器试图向单片机发送数据时,由于控制器的某些部分仍处于非活动状态,无法正常接收数据。这种类型的功率也被称为有源泄漏,也就是说,一些块是有源的,而一些是无源的。

由于在单个芯片中有大量的晶体管,泄漏功率变得至关重要。特别是当有多核SoC时,这变得非常重要,即具有交叉电压并执行一些虚拟电路交换操作(借助低延迟和低功耗的帮助从一个地方到另一个地方的数据传输)的SoC。

虽然CMOS晶体管的尺寸在缩小,器件速度在提高,但漏电流也在迅速增加。这是由于CMOS和PMOS器件的通道长度。在加法器时间内,平均功耗由功率主导,泄漏功率的影响更大。因此,我们采用占空比技术来确保系统在空闲时间进入低功耗模式,当某些块的供电电压降低,而那些不需要的块则停止供电。

在软编程的帮助下,这种安排节省了大量的电力,同时执行操作,如步行和徒步旅行,以及通过蓝牙LE向基于移动的应用程序发送数据。当设备暂时醒来时,它会消耗毫安的电力来执行重复的传感、处理和通信任务,然后进入睡眠状态,直到分配下一个任务。

当设备处于主动模式时,其p-active状态决定了设备的平均功耗。因此,设备消耗的平均功率取决于有功功率+收发器消耗的功率+始终处于开启状态(即使处于睡眠模式)的功能所消耗的功率之和。

为了有效地管理权力,你必须关注所有这些因素。关注作为设备一部分的每个模块,如用于处理模块的传感器、发送-接收模块和电压调节器模块,并以一种设备消耗尽可能少的电力的方式组装它们。


这篇文章是基于Atmen Technovention首席执行官阿比吉特·巴加特(Abhijeet Bhagat)在2021年1月的科技世界大会(Tech World Congress 2021)上发表的题为“智能可穿戴设备中的电力平衡与节能”的演讲。

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